Muito barulho foi feito sobre o bóson de Higgs quando essa partícula indescritível foi descoberta em 2012. Embora tenha sido anunciado como dando massa de matéria comum, as interações com o campo de Higgs geram apenas cerca de 1% da massa comum. Os outros 99% vêm de fenômenos associados à força forte, a força fundamental que une partículas menores chamadas quarks em partículas maiores chamadas prótons e nêutrons que compõem o núcleo dos átomos da matéria comum.
Agora, pesquisadores da Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia dos EUA extraíram experimentalmente a força da força forte, uma quantidade que apóia firmemente as teorias que explicam como a maior parte da massa ou matéria comum no universo é gerada.
Essa quantidade, conhecida como acoplamento da força forte, descreve a intensidade com que dois corpos interagem ou “acoplam” sob essa força. O acoplamento de força forte varia com a distância entre as partículas afetadas pela força. Antes desta pesquisa, as teorias discordavam sobre como o acoplamento de força forte deveria se comportar a grande distância: alguns previam que deveria crescer com a distância, alguns que deveria diminuir, e alguns que deveria se tornar constante.
Com os dados do Jefferson Lab, os físicos foram capazes de determinar o forte acoplamento de força nas maiores distâncias até agora. Seus resultados, que fornecem suporte experimental para previsões teóricas, foram recentemente apresentados na capa da revista Particles.
“Estamos felizes e empolgados em ver nosso esforço ser reconhecido”, disse Jian-Ping Chen, cientista sênior da equipe do Jefferson Lab e coautor do artigo.
Embora este artigo seja o culminar de anos de coleta e análise de dados, não foi totalmente intencional no início.
Um spin-off de um experimento de rotação
Em distâncias menores entre quarks, o acoplamento de força forte é pequeno, e os físicos podem resolvê-lo com um método iterativo padrão. Em distâncias maiores, no entanto, o forte acoplamento de força torna-se tão grande que o método iterativo não funciona mais.
“Isso é uma maldição e uma bênção”, disse Alexandre Deur, cientista da equipe do Jefferson Lab e co-autor do artigo. “Embora tenhamos que usar técnicas mais complicadas para calcular essa quantidade, seu valor desencadeia uma série de fenômenos emergentes muito importantes”.
Isso inclui um mecanismo que responde por 99% da massa comum do universo. (Mas chegaremos a isso daqui a pouco.)
Apesar do desafio de não poder usar o método iterativo, Deur, Chen e seus coautores extraíram um forte acoplamento de força nas maiores distâncias entre os corpos afetados de todos os tempos.
Eles extraíram esse valor de um punhado de experimentos do Jefferson Lab que foram realmente projetados para estudar algo completamente diferente: rotação de prótons e nêutrons.
Esses experimentos foram conduzidos na instalação do acelerador de feixe de elétrons contínuo do laboratório, uma instalação do usuário do DOE. O CEBAF é capaz de fornecer feixes de elétrons polarizados, que podem ser direcionados para alvos especializados contendo prótons e nêutrons polarizados nas salas experimentais. Quando um feixe de elétrons é polarizado, isso significa que a maioria dos elétrons está girando na mesma direção.
Esses experimentos dispararam o feixe de elétrons polarizados do Jefferson Lab em alvos de prótons ou nêutrons polarizados. Durante os vários anos de análise de dados, os pesquisadores perceberam que poderiam combinar informações coletadas sobre o próton e o nêutron para extrair um forte acoplamento de força em distâncias maiores.
“Apenas o feixe de elétrons polarizados de alto desempenho do Jefferson Lab, em combinação com os desenvolvimentos em alvos polarizados e sistemas de detecção, nos permitiu obter esses dados”, disse Chen.
Eles descobriram que, à medida que a distância aumenta entre os corpos afetados, o forte acoplamento de força cresce rapidamente antes de se estabilizar e se tornar constante.
“Existem algumas teorias que previam que este deveria ser o caso, mas esta é a primeira vez experimentalmente que realmente vimos isso”, disse Chen. “Isso nos dá detalhes sobre como a força forte, na escala dos quarks que formam prótons e nêutrons, realmente funciona.”
O nivelamento apoia teorias massivas
Esses experimentos foram conduzidos cerca de 10 anos atrás, quando o feixe de elétrons do Jefferson Lab era capaz de fornecer elétrons em até 6 GeV de energia (agora é capaz de até 12 GeV). O feixe de elétrons de energia mais baixa foi necessário para examinar a força forte nessas distâncias maiores: uma sonda de energia mais baixa permite o acesso a escalas de tempo mais longas e, portanto, a distâncias maiores entre as partículas afetadas.
Da mesma forma, uma sonda de energia mais alta é essencial para ampliar as visualizações de escalas de tempo mais curtas e distâncias menores entre as partículas. Laboratórios com feixes de energia mais alta, como CERN, Fermi National Accelerator Laboratory e SLAC National Accelerator Laboratory, já examinaram forte acoplamento de força nessas escalas de espaço-tempo menores, quando esse valor é relativamente pequeno.
A visão ampliada oferecida por feixes de alta energia mostrou que a massa de um quark é pequena, apenas alguns MeV. Pelo menos, essa é a sua massa de livros didáticos. Mas quando os quarks são sondados com energia mais baixa, sua massa cresce efetivamente para 300 MeV.
Isso ocorre porque os quarks reúnem uma nuvem de glúons, a partícula que carrega a força forte, à medida que se movem por distâncias maiores. O efeito de geração de massa dessa nuvem é responsável pela maior parte da massa do universo – sem essa massa adicional, a massa de quarks dos livros didáticos só pode representar cerca de 1% da massa de prótons e nêutrons. Os outros 99% vêm dessa massa adquirida.
Da mesma forma, uma teoria postula que os glúons não têm massa em distâncias curtas, mas efetivamente adquirem massa à medida que viajam mais. O nivelamento do acoplamento de força forte em grandes distâncias suporta esta teoria.
“Se os glúons permanecessem sem massa a longa distância, o forte acoplamento de força continuaria crescendo sem controle”, disse Deur. “Nossas medições mostram que o forte acoplamento de força se torna constante à medida que a distância sondada aumenta, o que é um sinal de que os glúons adquiriram massa através do mesmo mecanismo que dá 99% da massa ao próton e ao nêutron”.
Isso significa que o forte acoplamento de força em grandes distâncias é importante para entender esse mecanismo de geração de massa. Esses resultados também ajudam a verificar novas formas de resolver equações para cromodinâmica quântica (QCD), a teoria aceita que descreve a força forte.
Por exemplo, o achatamento do acoplamento de força forte em grandes distâncias fornece evidências de que os físicos podem aplicar uma nova técnica de ponta chamada dualidade Anti-de Sitter/Conformal Field Theory (AdS/CFT). A técnica AdS/CFT permite que os físicos resolvam equações de forma não iterativa, o que pode ajudar nos cálculos de força forte em grandes distâncias onde os métodos iterativos falham.
O conformal em “Conformal Field Theory” significa que a técnica é baseada em uma teoria que se comporta da mesma forma em todas as escalas de espaço-tempo. Como o acoplamento de força forte se nivela em distâncias maiores, ele não depende mais da escala de espaço-tempo, o que significa que a força forte é conforme e AdS/CFT pode ser aplicado. Embora os teóricos já tenham aplicado AdS/CFT ao QCD, esses dados suportam o uso da técnica.
“AdS/CFT nos permitiu resolver problemas de QCD ou gravidade quântica que até então eram intratáveis ou tratados de forma muito grosseira usando modelos não muito rigorosos”, disse Deur. “Isso rendeu muitos insights interessantes sobre a física fundamental.”
Portanto, embora esses resultados tenham sido gerados por experimentalistas, eles afetam mais os teóricos.
“Acredito que esses resultados são um verdadeiro avanço para o avanço da cromodinâmica quântica e da física de hádrons”, disse Stanley Brodsky, professor emérito do SLAC National Accelerator Laboratory e teórico do QCD. “Parabenizo a comunidade física do Jefferson Lab, em particular, o Dr. Alexandre Deur, por este grande avanço na física.”
Anos se passaram desde que os experimentos que acidentalmente deram esses resultados foram conduzidos. Um novo conjunto de experimentos agora usa o feixe de 12 GeV de energia mais alta do Jefferson Lab para explorar a física nuclear.
“Uma coisa que me deixa muito feliz com todos esses experimentos mais antigos é que treinamos muitos jovens estudantes e eles agora se tornaram líderes de experimentos futuros”, disse Chen.
Só o tempo dirá quais teorias esses novos experimentos suportam.
Publicado em 10/08/2022 10h31
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